Đo mức trong bồn chịu áp: LPG và amoniac

Đo mức trong bồn chịu áp là đọc liên tục ranh giới khí-lỏng trong bình duy trì ở áp suất cao hơn khí quyển, thường bằng bộ truyền tín hiệu mức radar 80 GHz không tiếp xúc. Ứng dụng gồm LPG, amoniac lỏng và oxy lỏng, trong đó hằng số điện môi của hơi, vật liệu dùng ở nhiệt độ siêu thấp và chứng nhận khu vực nguy hiểm xác định giới hạn sử dụng. Dải đo điển hình là 0-12 m ở áp suất tới 25 bar g.

Vì sao đo mức bồn chịu áp cần bù ảnh hưởng của hơi

Bộ truyền tín hiệu mức radar FMCW đo thời gian quét vi sóng qua khoảng trống trên chất lỏng và tính khoảng cách d = c*t/2. Trong không khí khô tại 20 °C, hằng số điện môi tương đối khoảng 1.0006, nên c sai khác không quá 0.03 % so với giá trị trong chân không. Khi đo mức bồn chịu áp, khoảng không phía trên chứa hơi bão hòa chứ không phải không khí, và sóng chậm xuống c/sqrt(er). Bộ truyền tín hiệu vẫn dùng giá trị chân không sẽ báo khoảng cách bằng sqrt(er) lần khoảng cách thực, tức báo thừa một lượng bằng (sqrt(er) - 1) lần khoảng cách thực.

Vì mức bằng khoảng cách khi bồn rỗng E trừ khoảng cách đo, khoảng cách báo thừa làm mức bị báo thấp cùng một lượng. Với khoảng hơi 8.000 m và er = 1.021, khoảng cách hiển thị thành 8.000 * sqrt(1.021) = 8.084 m, nên mức báo cáo thấp hơn ranh giới thực 83.6 mm. Độ lệch tăng theo khoảng hơi, nên lớn nhất khi gần cạn, nơi đặt báo động mức thấp. Cả FMCW không tiếp xúc và radar sóng dẫn đều chịu ảnh hưởng vì sóng đi qua hơi chịu áp. Có thể hiệu chỉnh bằng nhập er cố định, bộ phản xạ tham chiếu tại khoảng cách đã biết hoặc đầu dò tham chiếu trong giếng tĩnh.

Thay đổi nhỏ của hằng số điện môi gây sai lệch milimét như thế nào

Vận tốc sóng trong khoảng không phía trên là v = c0/sqrt(er), với c0 = 299 792 458 m/s. Bộ truyền tín hiệu đo thời gian hồi âm và nhân với c0/2, nên khoảng cách hiển thị là d_read = d_true*sqrt(er) và sai số mức là dL = -d_true*(sqrt(er) - 1).

Ví dụ theo giá trị hiện trường giả định (phép tính minh họa, không phải dữ liệu đo tại hiện trường): bồn LPG hình cầu có khoảng hơi 8.000 m, hơi propan bão hòa tại 8 bar g và 20 °C, giả định er = 1.021. Khi đó sqrt(1.021) = 1.010445 và dL = -8.000 m * 0.010445 = -0.0836 m, tức -83.6 mm. Tại 8 bar g với er = 1.015, độ lệch là -59.8 mm; tại 12 bar g với er = 1.030, độ lệch đạt -119.1 mm. Điều kiện giới hạn của đo mức bồn chịu áp là áp suất, nhiệt độ và thành phần hơi ổn định; áp suất biến động khi nạp làm một er cố định mất hiệu lực, nên cần hiệu chỉnh dựa trên tham chiếu.

Đây là các giá trị tham chiếu kỹ thuật điển hình cho hơi bão hòa, không phải thông số sản phẩm. Xác nhận er cho thành phần khí và áp suất thực tế theo bảng dữ liệu tính chất khí hiện hành trước khi nhập giá trị bù.

Khi nào phải loại phương pháp siêu âm trên bình kín

Không nên chọn bộ truyền tín hiệu mức siêu âm cho bồn chịu áp khi thành phần hơi, áp suất hoặc nhiệt độ có thể thay đổi trong chu kỳ nạp. Thiết bị đo thời gian truyền sóng cơ có vận tốc phụ thuộc khối lượng phân tử khí, áp suất và nhiệt độ. Trong bồn nước thông khí, một phép bù nhiệt là đủ; trong khoảng không LPG hoặc amoniac không có một vận tốc âm cố định vì mật độ và thành phần khí thay đổi theo áp suất bão hòa. Đường truyền âm khi đó thêm một thành phần sai số không kiểm soát lớn hơn nhiều so với độ chính xác ±2 mm đến ±10 mm thường cần cho chống nạp tràn.

Hai giới hạn khác khiến phương pháp không dùng được. Âm không truyền trong chân không, nên bình có thể hút chân không sẽ mất hoàn toàn hồi âm. Hơi bão hòa mật độ cao, bọt hoặc giọt ngưng tụ làm suy giảm xung đến khi hồi âm biến mất dù vẫn có chất lỏng. Với các điều kiện đó, quyết định đúng là dùng bộ truyền tín hiệu mức radar có hiệu chỉnh hơi nêu trên, không phải thiết bị siêu âm tốt hơn.

Ứng dụng nhiệt độ siêu thấp thay đổi yêu cầu vật liệu tiếp xúc môi chất ra sao

Oxy lỏng được chứa gần -183 °C ở áp suất gần khí quyển, còn amoniac lỏng hoặc LPG có thể ở gần -40 °C trong ứng dụng làm lạnh. Thép không gỉ austenit giữ độ dai tại các nhiệt độ này; thép cacbon thông thường và nhiều elastomer trở nên giòn. Ăng-ten, bộ làm kín quá trình, gioăng và mọi lớp phủ đều phải được định mức theo nhiệt độ kim loại tối thiểu, không chỉ nhiệt độ vận hành thường, vì quá trình làm lạnh hoặc sự kiện xả áp có thể đưa cụm thiết bị xuống dưới điểm thiết kế.

Ứng dụng oxy bổ sung yêu cầu sạch: bộ phận tiếp xúc phải không có dầu mỡ và có hồ sơ vệ sinh. Đoạn nối cách nhiệt giữ vỏ điện tử ngoài vùng lạnh; chiều dài phải phù hợp dải nhiệt độ môi trường được chứng nhận. Vỏ định mức tới -40 °C không thể đặt trên cổ lắp -183 °C. Ngưng tụ và đóng băng trên mặt ăng-ten thường xảy ra khi làm lạnh, nên thường chọn thổi khí làm sạch hoặc ăng-ten kín có bộ làm kín nhiệt độ thấp đã xác minh. Xác nhận từng mác vật liệu tiếp xúc, hợp chất gioăng và dải nhiệt độ môi trường được chứng nhận trên nhãn thiết bị được giao trước khi lắp.

Cách chừa dự phòng dải đo hữu dụng phía trên chất lỏng

Khi đo mức bồn chịu áp, giả định khoảng cách khi rỗng E từ mặt bích đến đáy bồn là 12.000 m. Khoảng chặn đo 0.10-0.20 m áp dụng cho ăng-ten thấu kính 80 GHz lắp phẳng với bề mặt; ở đây dùng 0.400 m như trường hợp bảo thủ với cổ lắp kéo dài, cần xác minh theo bảng dữ liệu hiện hành. Nghĩa là bộ truyền tín hiệu không thể báo mức trên 11.600 m. Nếu điểm ngắt cao-cao của quá trình ở 11.200 m và khoảng trống phía trên yêu cầu là 0.300 m, dự phòng giữa điểm ngắt và trần đo là 0.400 m, đáp ứng yêu cầu. Cổ lắp 0.600 m sẽ giảm dự phòng xuống 0.200 m, không đạt kiểm tra.

Biểu thức phải có trên phiếu đặt hàng: dự phòng phía trên hữu dụng = E - khoảng chặn đo - mức làm việc tối đa. Với bình 12.000 m, dự phòng 0.400 m bằng 3.3 % dải đo; với bình dưới 2.000 m, cùng khoảng chặn đo chiếm 20 % dải đo.

• Ghi E từ mặt bích, không phải từ mái.
• Nêu khoảng chặn đo cho ăng-ten và cổ lắp đặt hàng, không dùng mức tối thiểu trong danh mục.
• Kiểm tra lại dự phòng sau khi đổi đầu chuyển, đoạn nối hoặc cách nhiệt.
• Giữ điểm ngắt cao-cao dưới trần đo, không đặt bằng trần đo.

Chứng nhận phải khớp những gì trong cấu hình được giao

Đối với đo mức bồn chịu áp, đối chiếu chứng nhận với cấu hình đặt hàng, không phải tờ giới thiệu. Nhóm khí, cấp nhiệt độ, mức bảo vệ thiết bị và dải nhiệt độ môi trường được chứng nhận phải có trên nhãn thiết bị được giao và khớp phân loại khu vực nguy hiểm của bồn. Thiết bị được phê duyệt cho môi trường -20 °C đến +60 °C không thể lắp nơi vỏ chịu -40 °C, dù bộ làm kín quá trình có định mức thấp hơn. Đầu chuyển, hệ thống thổi khí, bộ sưởi hoặc màn hình từ xa bổ sung sau đó phải nằm trong phạm vi phê duyệt.

Đối chiếu từng dòng với bảng dữ liệu hiện hành và nhãn thiết bị; yêu cầu mọi giá trị còn thiếu trước khi phê duyệt cuối cùng. Trang sản phẩm của từng radar nêu cấu hình nào có chứng nhận nào; bài kỹ thuật về dấu phê duyệt giải thích ký hiệu.

Câu hỏi thường gặp

C1. Đo mức bồn chịu áp có cần bù hơi trên mọi bình không?

Không. Chỉ cần khi hằng số điện môi của khoảng không phía trên làm số đo lệch quá giới hạn sai số. Không khí tại 1 bar trên 2.000 m cho khoảng 0.6 mm và có thể bỏ qua; hơi LPG bão hòa tại 8 bar g trên 8.000 m đạt khoảng 84 mm. Xác minh er theo dữ liệu khí hiện hành.

C2. Bộ truyền tín hiệu mức siêu âm có thể thay radar trên bồn amoniac kín không?

Không, nếu áp suất hoặc thành phần hơi thay đổi trong chu kỳ. Phép đo thời gian siêu âm phụ thuộc một vận tốc âm; trong khoảng không amoniac kín, vận tốc đó thay đổi theo áp suất, nhiệt độ và mật độ khí. Chân không làm mất hồi âm và hơi mật độ cao có thể hấp thụ hồi âm. Thay vào đó dùng radar có bù hơi.

C3. Kiểm tra vật liệu nhiệt độ thấp nào thường bị bỏ sót nhất?

Gioăng và bộ làm kín quá trình, không phải ăng-ten. Mác vật liệu ăng-ten được chọn cho nhiệm vụ nhiệt độ siêu thấp, nhưng gioăng elastomer chỉ định mức tới -20 °C sẽ cứng và rò tại -40 °C. Kiểm tra nhiệt độ kim loại tối thiểu của mọi bộ phận tiếp xúc, dải môi trường của vỏ và hồ sơ vệ sinh không dầu.

C4. Đơn hàng nên chừa bao nhiêu dự phòng phía trên điểm ngắt cao-cao?

Ít nhất 0.300 m là giá trị khởi đầu thường gặp, nhưng phải suy ra từ khoảng chặn đo và hình học bình. Với khoảng cách khi rỗng 12.000 m và khoảng chặn đo 0.400 m, trần đo là 11.600 m; điểm ngắt 11.200 m chừa 0.400 m. Tính lại sau mọi thay đổi cổ lắp.

C5. Radar sóng dẫn có tránh được vấn đề hằng số điện môi của hơi không?

Không. Xung vẫn đi qua khoảng không phía trên dọc đầu dò, nên vận tốc giảm khi er tăng và cùng hệ số sqrt(er) vẫn áp dụng, dù hình học khác thiết bị FMCW truyền trong không gian tự do. Vẫn cần đầu dò tham chiếu hoặc nhập er cố định cho ứng dụng áp suất cao.

C6. Chứng nhận phê duyệt phải khớp gì trên thiết bị được giao?

Cấu hình đặt hàng và phân loại hiện trường. Đối chiếu nguyên lý bảo vệ, nhóm khí, cấp nhiệt độ, mức bảo vệ thiết bị và dải môi trường được chứng nhận với bản vẽ khu vực nguy hiểm, rồi xác nhận từng mục có trên nhãn. Đầu chuyển, hệ thống thổi khí hoặc bộ sưởi bổ sung sau đó phải nằm trong phạm vi phê duyệt.

TÓM TẮT

Đo mức bồn chịu áp dựa trên ba kiểm tra: hiệu chỉnh hằng số điện môi của hơi, xác nhận vật liệu tiếp xúc dùng ở nhiệt độ thấp và chừa dự phòng dải đo có thể đo được. Ví dụ tính cho thấy er = 1.021 giả định trên khoảng hơi 8.000 m làm mức báo cáo lệch 83.6 mm, lớn hơn nhiều so với ±2 mm đến ±10 mm thường cần cho chống nạp tràn. Bước tiếp theo là lập phiếu nghiệm thu và xác minh từng dòng theo bảng dữ liệu hiện hành trước khi phê duyệt đưa vào sử dụng.